techniques de détection de neutrons

Une sphère d'aluminium, du diamètre d'un gros globe, se trouve dans le faisceau de neutrons et répond à chaque impact par une note précise. À l'intérieur de la sphère, il n'y a rien d'autre que de l'azote et onze minuscules billes d'acier, chacune de la taille d'une tête d'épingle.

Un neutron enfermé dans un noyau se comporte différemment qu'à l'état libre. Son nuage de gluons, qui maintient les quarks ensemble, se comprime comme un ressort sous charge. Auparavant, on ne pouvait que le supposer, mais désormais, les physiciens ont observé cet effet directement pour la première fois.

Le faisceau d'antiprotons frappe la plaque, et chaque impact se disperse en une gerbe de particules chargées. Dans l'expérience GBAR au CERN, ce phénomène est observé non pas avec un détecteur complexe, mais avec une caméra industrielle ordinaire sans objectif, plaquée contre la fenêtre à vide depuis l'extérieur.

Le sculpteur façonne des montagnes avec des champs magnétiques et de la chaleur, mais la pierre résiste. Une étoile à neutrons — résidu superdense d'une explosion de supernova — dans un système binaire aspire de la matière de l'étoile voisine.

Une boule de billard est suspendue en l'air. De petites billes sont tirées sur elle depuis un tube soufflant. Chaque impact est à peine perceptible, mais si la boule est très légère et ne tremble presque pas à cause de la chaleur, on peut distinguer les chocs individuels.

Un flux invisible de particules traverse le corps humain à chaque seconde. Ce sont les neutrinos — de minuscules messagers venus d'étoiles lointaines et de réacteurs terrestres. Les attraper est presque impossible : ils traversent la matière comme une balle traverse le brouillard. Mais les physiciens ont appris à leur tendre des embuscades.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

En 1998, les physiciens ont surpris les neutrinos en flagrant délit : la particule change de type en plein vol. Cela n'est possible que si elle a une masse. C'est devenu la seule preuve en laboratoire d'une physique au-delà du modèle standard. Mais combien pèse exactement un neutrino ? C'est toujours une énigme.

Une immense piscine de liquide transparent est cachée profondément sous terre. Il n'y a rien d'autre qu'un « bouillon » d'une pureté extrême qui émet une faible lueur lorsqu'une particule fantôme le traverse. C'est le détecteur JUNO, 20 000 tonnes de scintillateur liquide, construit pour chasser les neutrinos.

Lors de la thérapie par capture de neutrons par le bore, on injecte au patient du bore-10, qui s'accumule sélectivement dans la tumeur. On irradie ensuite la tumeur avec des neutrons. Lorsqu'un neutron pénètre dans le noyau de bore, il provoque sa fission en hélium et en lithium — l'énergie libérée détruit la cellule cancéreuse.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

Les détecteurs de matière noire sont des microphones d'une sensibilité incroyable, capables d'entendre un murmure au milieu du vacarme d'un concert de rock. Ils cherchent les rares secousses provoquées par les particules de matière noire.

Une clôture invisible barre le détroit. On ne peut ni l'escalader ni plonger en dessous : elle n'est pas faite d'acier, mais d'un flux de particules qui traversent la colonne d'eau. C'est ainsi que l'on peut décrire l'idée de détecter les sous-marins nucléaires grâce à leur émission d'antineutrinos.

Un ordinateur quantique à atomes neutres ressemble à une bibliothèque où les livres doivent non seulement être lus, mais aussi rapidement remis en rayon. Une lecture lente du résultat, c'est comme un bibliothécaire lent qui retarde toute la file d'attente. Des scientifiques ont trouvé un moyen d'accélérer ce processus en ajoutant des assistants.

Entre 2016 et 2018, au Grand collisionneur de hadrons du CERN, des protons entraient en collision avec une énergie de 13 téraélectronvolts — comme si deux petits pois étaient accélérés à des vitesses telles que leur impact engendre tout un essaim de nouvelles particules.

Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Un capteur qui cherche des particules rares, c'est un peu comme une oreille qui tenterait de saisir un murmure dans une pièce bruyante. Plus le signal est faible, plus il est difficile de le distinguer du bruit de fond.

À l'intérieur du Soleil, des transformations nucléaires invisibles se produisent chaque seconde. L'une d'elles est la naissance du bore-8 : le noyau de béryllium-7 capture un proton qui passe par là et devient, l'espace d'un instant, un nouvel élément.

Le spectre du rayonnement gamma ressemble à une palissade : chaque raie est l'énergie exacte que le noyau a cédée au photon. Mais parfois, dans cette palissade, apparaissent des « fantômes » — des raies faibles, décalées d'une même quantité par rapport aux raies principales.

Un détecteur de matière noire ressemble à un microphone très sensible qui écoute le silence. Il capte de minuscules secousses thermiques – les phonons – qui se produisent lorsqu'une particule frôle le cristal.

Un douanier ne peut pas démonter une valise pour savoir ce qu'elle contient. Il la passe aux rayons X et, grâce aux ombres sur l'écran, comprend : voilà du métal, voilà de la matière organique. De la même manière, un inspecteur des futurs traités de désarmement nucléaire devra vérifier une ogive — sans l'ouvrir et sans voir son contenu secret.

Au Grand collisionneur de hadrons, on ne fait pas seulement entrer en collision des protons, mais aussi des noyaux entiers d'atomes.

Lorsqu'une étoile comme le Soleil épuise son hydrogène, elle se gonfle en géante rouge, et de l'hélium s'accumule dans son noyau. À un moment donné, l'hélium s'embrase : en quelques secondes, il libère autant d'énergie que l'étoile en a rayonné pendant des milliers d'années. C'est ce qu'on appelle le flash de l'hélium.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Les neutrons ne laissent aucune trace dans le verre ordinaire : ils le traversent comme la lumière à travers une vitre. Mais certains matériaux, lorsqu'ils rencontrent une particule, émettent un faible éclair. C'est le principe du scintillateur : une substance qui convertit un rayonnement invisible en lumière visible.

Un pompier muni d'une caméra thermique voit le foyer d'un incendie à travers la fumée. Mais comment voir une source de radiation qui ne sent rien, ne brille pas et ne chauffe pas ? Les caméras gamma résolvent ce problème : elles captent les rayons gamma émis par les substances radioactives et superposent leur « trace » sur une photographie ordinaire.

Un morceau de plastique dense de la taille d'une pièce de monnaie s'illumine lorsqu'une particule invisible le traverse. C'est ainsi que fonctionnent les scintillateurs : des matériaux qui convertissent les radiations en une faible lumière. On les fabrique généralement à partir de cristaux fragiles ou de polymères coûteux.

Dans un champ, un réservoir d'eau qui sert normalement à piéger les particules venues de l'espace surveille désormais la quantité d'humidité dans le sol sous nos pieds. L'eau du réservoir agit comme un piège à neutrons — ces particules minuscules qui s'échappent du sol lorsque des rayons cosmiques le frappent.

Dans un réservoir d'eau pure, les particules se déplaçant plus vite que la lumière dans ce milieu laissent des éclairs bleutés — comme un avion franchissant le mur du son produit un bang. Grâce à ces éclairs, on peut identifier le visiteur : un quantum gamma ou un neutron.

Au cœur d'une étoile mourante, huit fois plus massive que le Soleil, une fièvre silencieuse s'installe quelques jours avant l'explosion finale. Le noyau de l'étoile se contracte et s'échauffe, libérant des neutrinos – de minuscules particules qui interagissent à peine avec la matière.

Toute lumière est composée de photons, de minuscules particules. Un détecteur basique se contente de noter s'ils arrivent ou non : c'est comme un photométrie mesureur d'éclairement, qui répond « oui/non ».

À l'intérieur d'un spectromètre de sept mètres de haut, semblable à une haute colonne, naissent les fragments d'un neutron désintégré. Pour les attraper, il faut des plaques de silicium de la taille d'une table de salle à manger et de l'épaisseur d'un doigt.

L'eau lourde – celle où l'hydrogène ordinaire est remplacé par son cousin plus massif, le deutérium – a été soumise à un courant électrique.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'espace est entré en ébullition. La substance surchauffée qui imprègne le monde a engendré d'immenses bulles d'une nouvelle phase — comme un liquide qui produit de la vapeur. Les collisions de ces bulles ont propulsé des particules à des énergies inimaginables dans les accélérateurs terrestres.